口孜東礦5煤物性特征和直流電法超前探測低阻閾值的確定

李宏澤，趙 磊，周官群，陳興海，李洪明，楊玉冰，曹 煜，王宗濤

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南 232001；2.合肥工業(yè)大學，合肥 230000；3.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，合肥 230000；4.中國科學技術(shù)大學，合肥 230000)

0 引言

直流電法超前探測方法是解決煤礦巷道掘進前方富水異常的重要物探方法之一，在我國礦井物探中有著近30年的發(fā)展歷史，是《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦防治水細則》等煤礦相關(guān)技術(shù)規(guī)程中推薦的成熟技術(shù)[1]，其基本原理是基于球殼理論，根據(jù)巷道后方供電點電源所形成的電場分布，在巷道內(nèi)測試不同位置電位異常并依據(jù)球殼等位面特征，將后方測試的異常對應(yīng)到前方地質(zhì)體的超前解釋中。

即便如此，由于煤礦屬于沉積巖地層，地層為層狀分布，與球殼理論的均質(zhì)體模型有較大差異，在實際工程案例中探測準確率有待提高，很多專家學者對此方法的原理及有效性提出了質(zhì)疑，黃俊革等[2]計算了無限大板狀體模型，結(jié)果顯示僅利用視電阻率極值解釋前方異常位置難度較大，認為該方法在理論上有待進一步研究和探討;張平松[3]等認為球殼理論在超前探中扔具有諸多問題，有待進一步研究和探討；程久龍[4]等指出了以三極法為主的直流電法超前探對含水小構(gòu)造的探測能力仍然需要進一步的探討，直流三極法對掘進工作面后方地質(zhì)情況控制作用好，且對前后方異常具有可分性，因此與其他方法的綜合探測、聯(lián)合反演是其發(fā)展方向。李飛等[5]通過理論分析、數(shù)值模擬及實際工程案例，表明直流電法巷道掘進工作面超前探測方法探測精度和分辨率均較低，成果圖中難以有效識別異常體的大小和位置，方法有待進一步研究;羅國平[6]通過球體解析解計算、地面相似性試驗和實例分析，結(jié)論為該方法解釋結(jié)果與實際相差較遠;強建科等[7]通過解析解和三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)后方視電阻率曲線單調(diào)下降，無法判斷異常體位置;王鵬[1]等通過均勻全空間中點電源對板狀體和球體的電場分布為基礎(chǔ)開展的理論分析和數(shù)值模擬的方式說明了直流電法超前探中對前方的地質(zhì)體有響應(yīng)，但信號較弱，需通過高精度儀器及異常提取方式進行捕捉定位，超前探測的原理正確。

實際上直流電法超前探測數(shù)據(jù)的處理不僅僅是將后方的低阻異常鏡像至巷道前方進行解釋，還需要進行巷道空腔和后方局部不均勻體影響校正[8-12]和空間交匯[13]的處理方法對數(shù)據(jù)進行校正;在異常響應(yīng)較弱的情況下，還需要進一步進行弱信號的提取，并通過建立異常位置和真實位置之間的經(jīng)驗公式來對異常位置加以校正[14-15]，才能得到相對準確的結(jié)果。

目前的直流電法超前探測成果異常劃分主要是圈定相對異常，且同一區(qū)域的閾值主要根據(jù)大量工程的經(jīng)驗總結(jié)，是一個經(jīng)驗值，如新集礦區(qū)電法超前探的經(jīng)驗值為10Ω·m。經(jīng)驗值的得出源于同一礦區(qū)的地質(zhì)條件類似，探測結(jié)果才有類比性和參考價值?；诖耍瑢⑼坏V區(qū)的基本地質(zhì)條件及地球物理背景場明確后，再以此為基礎(chǔ)，利用正演的方法，設(shè)置巷道前方不同的富水性異常模型，進行模擬，進而推測出一個相對準確的經(jīng)驗閾值，對探測成果具有一定的參考價值。文章以新集礦區(qū)口孜東礦5煤為研究對象，進行分析研究。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地層情況

口孜東礦位于淮南煤田西部，陳橋背斜的南翼西段，總體為一不完整向斜構(gòu)造，南翼被F1逆推斷層切割，地層傾角平緩，一般20°左右。次一級褶曲不發(fā)育，僅在F1推覆體的斷夾塊內(nèi)發(fā)育不對稱緊密褶曲。

1.2 水文地質(zhì)情況

松散層賦存特征相似，自上而下劃分為一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和底部“紅層”共七個含(隔)水層組。其中三含砂層厚度較大，富水性中等～強。據(jù)抽水試驗資料：單位涌水量q=0.355～3.627L/(s· m)，滲透系數(shù)k=3.47～7.25m/d，水質(zhì)為HCO3-Na或HCO3·Cl-Na型，是礦區(qū)主要供水含水層之一。紅層和三隔下段富水性極弱甚至無水，可作為新生界底部復(fù)合隔水層(組)，能有效阻隔新生界三含與基巖含水層間的水力聯(lián)系。

2 5煤頂?shù)装灞尘皥龅墨@取

巷道頂?shù)装宓膸r性組合直接影響直流電法超前探的探測結(jié)果，必須確定地層的巖性組合特征及電阻率值，但實際煤層頂?shù)装逵休^多地層，同時地層厚度在同一礦區(qū)也有一定的變化，不可能完全統(tǒng)計清楚，需對相似地層進行合并簡化，以減小數(shù)值模擬工作量。

以井田內(nèi)典型鉆孔的測井資料作為依據(jù)，將測井電阻率值相近的地層合并為一個地層，再將地層厚度相加作為最終合并地層的厚度。

2.1 各層電阻率的獲取

各地層電阻率獲取的直接方法是巖石的實驗室測試，但巖樣取出后，應(yīng)力釋放，同時巖樣在制樣過程中的切割等操作會導(dǎo)致巖樣表面溫度升高，進一步導(dǎo)致所測得的巖樣電阻率較實際值偏高；故巖石的原位電阻率測試方法獲得的電阻率值最接近巖石真實電阻率值，利用巖石頂?shù)装宓奶椒潘@孔，進行小四極的孔內(nèi)電阻率測試，獲取各巖層的電阻率結(jié)果。圖1為現(xiàn)場進行鉆孔電阻率實測裝置，結(jié)合測井資料統(tǒng)計的厚度信息，得到簡化后的測量結(jié)果見表1。

表1 口孜東礦5煤頂?shù)装宓貙咏M合特征Table 1 Coal Nio.5 roof and floor strata assemblage features in Kouzidong coalmine

圖1 孔內(nèi)電阻率測試裝置Figure 1 Borehole resistivity measuring installation

2.2 含水巖層飽水電阻率

由于礦井水的礦化度較高，電阻率低，含水層在含水情況下的電阻率遠低于實際電阻率，數(shù)值模擬所用低阻模型電阻率應(yīng)參考巖石在飽水情況下的電阻率作為邊界值。口孜東礦5煤頂?shù)装搴畬又饕獮轫敯?0m左右的細砂巖含水層及底板53m以下的中粗砂巖含水層，取這兩層的砂巖水，并將巖心(直徑為40mm，長度為15mm的圓柱體)浸泡其中，使其飽水，測定飽水情況下的砂巖電阻率，圖2為巖石樣本在砂巖水中浸泡不同時間的電阻率變化曲線，通過測量，頂板細砂巖飽水后的電阻率最終穩(wěn)定在約30Ω·m，底板中粗砂巖飽水后的電阻率最終穩(wěn)定在約6Ω·m，接近浸泡溶液的電阻率。

圖2 5煤頂?shù)装迳皫r樣本不同時間下的電阻率值Figure 2 Coal roof and floor sandstone sample resistivity under different times

2.3 地質(zhì)-地電模型的建立

通過對頂?shù)装鍘r層的合并及電阻率測定，最終獲得口孜東礦5煤頂?shù)装?0m范圍內(nèi)合并后巖層的地質(zhì)-地球物理模型，見表2。

表2 口孜東礦5煤頂?shù)装鍘r性組合特征Table 2 Coal No.5 roof and floor lithologic assemblage features in Kouzidong coalmine

3 數(shù)值模擬及閾值的判定

共設(shè)置 6種直流電法正演模型，模型參數(shù)見表3，其中巷道尺寸：3m×3m×300m，電極數(shù)64個，電極間距4m，巷道空腔電阻率10 000Ω·m。5煤主要含水層為頂板15m以上、厚度為17m的砂巖及底板下50m處、厚度13m的中粗砂巖，含水層設(shè)定分別以這兩層砂巖為主。

表3 正演模型參數(shù)Table 3 Forward model parameters

5煤頂板含水層為細砂巖，距5煤頂板h1=20m，5煤底板含水層為中粗砂巖，距5煤底板h2=53m。模型示意圖見圖3。

圖3中6種模型模擬結(jié)果見圖4至圖9。

圖3 正演模型參數(shù)Figure 3 Forward model parameters

1)地層不含水模擬結(jié)果。圖4為5煤頂?shù)装宓貙硬缓闆r下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖4可見，前方電阻率值分布在80～150Ω·m。

圖4 5煤地層不含水電法超前探測模擬結(jié)果Figure 4 Coal No.5 strata moisture-free electric advanced detection simulated result

2)頂板含水層含水模擬結(jié)果。圖5為5煤頂板含水層飽水情況下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖5可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在38～68Ω·m，在巷道前方18～100m電阻率值降低，其中18m～40m處電阻率值最小，最小值為35Ω·m。低阻區(qū)位置與實際煤層頂板與頂板細砂巖垂直距離大致相等，但探測的低阻值比實際細砂巖飽水時高。

圖5 5煤頂板含水電法超前探測模擬結(jié)果Figure 5 Coal No.5 roof water-bearing electric advanced detection simulated result

3)底板含水層含水模擬結(jié)果。圖6為5煤底板含水層飽水情況下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖6可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在36～100Ω·m，在巷道前方39～100m電阻率值降低，其中45～68m處電阻率值最小，最小值為38Ω·m。低阻區(qū)位置與實際煤層底板與底板中粗砂巖垂直距離大致相等，探測的低阻值比實際細砂巖飽水時高。

圖6 5煤底板含水電法超前探測模擬結(jié)果Figure 6 Coal No.5 floor water-bearing electric advanced detection simulated result

4)頂?shù)装搴畬油瑫r含水模擬結(jié)果。圖7為5煤頂?shù)装搴畬语査闆r下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖7可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值整體降低，電阻率值分布在36～100Ω·m，巷道前方10～100m電阻率值降低，其中45～68m處電阻率值最小，最小值為35Ω·m。比實際巖層電阻率值高。

圖7 5煤頂?shù)装搴姺ǔ疤綔y模擬結(jié)果Figure 7 Coal No.5 roof and floor water-bearing electric advanced detection simulated result

5)頂板局部含水模擬結(jié)果。圖8為5煤頂板局部含水情況下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖8可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m電阻率值降低，其中44～68m處電阻率值最小，最小值為60Ω·m。低阻區(qū)位置與模型設(shè)置基本一致，但電阻率值比實際值高。

圖8 5煤頂板局部含水電法超前探測模擬結(jié)果Figure 8 Coal No.5 roof local water-bearing electric advanced detection simulated result

6)底板局部含水模擬結(jié)果。圖9為5煤底板局部含水情況下的直流電法超前探測模擬結(jié)果，由圖9可見，直流電法超前探結(jié)果前方電阻率值分布在60～150Ω·m，在巷道前方44～100m電阻率值降低，其中70～100m處電阻率值最小，最小值為65Ω·m。低阻區(qū)位置與模型設(shè)置基本一致，但電阻率值比實際值高。

圖9 5煤底板局部含水電法超前探測模擬結(jié)果Figure 9 Coal No.5 floor local water-bearing electric advanced detection simulated result

7)低阻閾值的確定。巷道掘進過程中遇到的水害類型主要有頂?shù)装迳皫r水、灰?guī)r水、老空水、斷層水及陷落柱內(nèi)的水等，一般情況下，砂巖含水靜儲量小，易疏干，不會發(fā)生突水等災(zāi)害性事故，容易致災(zāi)的水害為空腔內(nèi)的水源，最需防范。由數(shù)值模擬結(jié)果可見，煤層頂?shù)装迳皫r不含水情況下，超前探測結(jié)果整體電阻率大于90Ω·m，隨著頂?shù)装迳皫r的含水，會在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻響應(yīng)，以頂?shù)装迳皫r全部飽水情況下的電阻率值最低，小于35Ω·m，故當超前探測結(jié)果電阻率值小于35Ω·m時，引起低阻響應(yīng)的原因不僅僅來自于頂?shù)装宓纳皫r水，需引起重視。

4 結(jié)果驗證

探掘驗證資料以口孜東礦140502工作面風巷T20點北55m超前探為例。

1)地質(zhì)概況。該巷道南自西140502工作面風巷前段(T8點北37.73m)撥門按平巷揭5煤后跟煤層向北施工，西鄰24勘探線，東鄰DF23正斷層，對應(yīng)地表主要為村莊、農(nóng)田與河流。

2)煤層控制情況。該巷道撥門位置位于5煤及其頂板巖層中。根據(jù)鄰近地質(zhì)勘探鉆孔實揭資料，結(jié)合地質(zhì)超前探查鉆孔資料綜合分析，該區(qū)該段5煤厚約6.25m；5煤距下部4-2煤層間距離約11.35m，其中4-2煤厚度約為2.51m。

3)地質(zhì)構(gòu)造情況。施工范圍內(nèi)巖層總體為一單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀218°∠8°～18°，沿巷道掘進方向巖層剖面南傾6°～16°，斷面東傾1°～4°。該巷道在掘進過程中將揭露正斷層FS3 150°∠55°H=3m。

4)水文地質(zhì)及構(gòu)造情況。140502風巷距上覆新生界松散層底界面高度介于71.1m～352.5m，工作面掘進不受新生界松散層孔隙水及風氧化帶含水層影響。

140502風巷將臨近DF23斷層(落差29m～130m)掘進，下盤可能對接灰?guī)r含水層，斷層存在出水風險。工作面上覆導(dǎo)水裂縫帶范圍內(nèi)5煤頂板砂巖含水層厚14.7m，巖性以細砂巖為主，裂隙發(fā)育，總體屬靜儲量型，易疏干，在裂隙發(fā)育地段可能會出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象，對巷道掘進有一定影響。掘進期間將穿過FS3正斷層，該斷層落差較小，該斷層對巷道掘進無水害威脅。巷道將從24-3、23-11鉆孔附近穿過，上述鉆孔封閉良好，故鉆孔水對巷道掘進無水害威脅。鉆孔水對巷道掘進無水害威脅。

5)探測結(jié)果與閾值驗證。圖10為140502工作面風巷T20點北55m迎頭前方100m直流電法超前探測成果圖，由圖10和圖11可見，地層視電阻率整體較高，視電阻率值大于10Ω·m，其中28～40m范圍內(nèi)電阻率值在34Ω·m左右，若根據(jù)以往的經(jīng)驗閾值10Ω·m判定，探測區(qū)域內(nèi)整體富水性較弱。

圖10 140502工作面風巷T20點北55m迎頭直流電法超前探測結(jié)果Figure 10 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result

圖11 調(diào)整色標后140502工作面風巷T20點北55m迎頭直流電法超前探測結(jié)果Figure 11 Working face No.140502 airway point T20 north 55m front direct current advanced detection result after shade-guide adjustment

巷道掘進過程中，在探測點向前30m處頂板出現(xiàn)滴淋水情況，水量約5m3/h，很快疏干，為頂板砂巖水。異常區(qū)位置與28m～40m對應(yīng)情況較好，且電阻率值與確定的閾值35Ω·m基本一致，說明確定的閾值具有實際參考價值。

5 結(jié)論

1)通過測井曲線及現(xiàn)場實測的方式獲得的以礦區(qū)實際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立的地質(zhì)-地電模型進行模擬，同時是在同一礦區(qū)同一煤層的基礎(chǔ)上研究獲得，所確定的閾值具有實際參考意義。

2)通過數(shù)值模擬和實際工程案例的結(jié)果，進一步確定了直流電法超前探的可行性，且異常區(qū)域與探測結(jié)果具有一定的對應(yīng)性，但異常區(qū)的范圍通常比實際情況大。

3)實際地層與模型有一定的差異，且地質(zhì)-地電具有不均勻性，通過模擬獲得的閾值是在單一模型下獲得，實際探測區(qū)域電阻率值在35Ω·m附近時都需引起關(guān)注。